(57)【要約】【課題】浸炭処理される歯車の製造効率を向上する。【解決手段】風力発電用の増速機に使用される遊星歯車３６は浸炭処理される。歯１００の歯面１００ａには浸炭層１０２よりも浅い複数の溝１０４が等間隔に設けられる。複数の溝１０４は回転軸Ｒの方向に沿って形成される。歯面１００ａに占める複数の溝１０４の面積は、それ以外の部分の面積よりも小さい。歯底面１００ｃを含む歯と歯の間の表面には溝１０４は設けられていない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭処理された歯車であって、歯面に浸炭層よりも浅い複数の凹部が設けられたことを特徴とする歯車。
【請求項２】
前記複数の凹部は、本歯車の回転軸方向に沿って形成された複数の溝であることを特徴とする請求項１に記載の歯車。
【請求項３】
歯面に占める前記複数の凹部の面積は、それ以外の部分の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の歯車。
【請求項４】
歯と歯の間の表面には凹部が設けられていないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の歯車。
【請求項５】
歯と歯の間の表面の単位面積当たりの凹部の数または凹部の面積は、歯面の単位面積当たりの凹部の数または凹部の面積よりも少ないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の歯車。
【請求項６】
歯面のうち他の歯車とかみ合うべき部分の単位面積当たりの凹部の数または凹部の面積は、他の部分の単位面積当たりの凹部の数または凹部の面積よりも多いことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の歯車。
【請求項７】
歯車の歯面に複数の凹部を形成する工程と、
前記複数の凹部が形成された歯車を浸炭処理する工程と、を含むことを特徴とする歯車の製造方法。
【請求項８】
浸炭処理された歯車の歯面を削る工程をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記削る工程は、前記複数の凹部がなくなるように歯面を削る工程であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス浸炭処理は、浸炭性ガスの雰囲気中で低炭素鋼や低炭素合金鋼の表面層の炭素量を増加させ、焼入れ硬化させることによって耐摩耗性や疲労強度などを向上させる処理である。浸炭処理にはガス浸炭処理以外にも、固体浸炭処理や液体浸炭処理や真空浸炭処理やプラズマ浸炭処理などがある。浸炭深さが大きいほど表面はより硬くなる。
【０００３】
近年では風力発電機はもはや珍しいものではなく、その小型化や軽量化が開発の方向性のひとつとなっている（例えば、特許文献１参照）。風力発電機の機械部分を小型化すると、そこで使用される歯車も小型化される。歯車を小型化するためには、荷重に耐えうるよう歯車の表面をより硬くする必要がある。したがって、浸炭処理された歯車、特に浸炭深さがより大きい歯車が好んで使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４４５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
浸炭深さはＨａｒｒｉｓの実験式
【数１】
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により求められる。ここでＤは浸炭深さであり、Ｋは温度定数であり、ｔは処理時間である。したがって求める浸炭深さが大きくなるほど処理時間はその２乗で増加していく。浸炭処理の処理時間が長くなると製造効率が悪化する可能性がある。
【０００６】
上記の課題は風力発電機に使用される歯車に限らず、浸炭処理される歯車一般についても発生しうる。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は浸炭処理される歯車の製造効率を向上できる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は歯車に関する。この歯車は浸炭処理された歯車であって、歯面に浸炭層よりも浅い複数の凹部が設けられる。
【０００９】
この態様によると、効率的に浸炭層を形成できる。
【００１０】
本発明の別の態様は、歯車の製造方法である。この方法は、歯車の歯面に複数の凹部を形成する工程と、複数の凹部が形成された歯車を浸炭処理する工程と、を含む。
【００１１】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、浸炭処理される歯車の製造効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る歯車が組み込まれた風力発電用の増速機の断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、図１の遊星歯車を説明するための説明図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、第１変形例に係る歯車の歯を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、第２から第４変形例に係る歯車をそれぞれ示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１５】
図１は、実施の形態に係る歯車が組み込まれた風力発電用の増速機２０の断面図である。増速機２０は、初段に遊星歯車機構２２を備えると共に、中段及び後段に平行軸歯車機構２４、２６を備える。入力軸２８から入力される回転は、計３段の歯車機構２２、２４、２６によって増速され、出力軸３０から出力される。出力軸３０には発電機（不図示）が連結される。
【００１６】
遊星歯車機構２２は、入力軸２８と一体化されたキャリヤ３２、キャリヤ３２に固定された遊星ピン３４、実施の形態に係る遊星歯車３６、内歯歯車３８、太陽歯車４０、を備える。遊星歯車３６は、遊星ピン３４に回転自在に支持される。内歯歯車３８及び太陽歯車４０は、遊星歯車３６と同時に噛合する。遊星歯車３６、内歯歯車３８および太陽歯車４０はいずれも、低炭素鋼や低炭素合金鋼などの浸炭処理が可能な材料により形成されている。遊星歯車３６、内歯歯車３８および太陽歯車４０はいずれも浸炭処理され、いずれの歯面にも浸炭層よりも浅い複数の凹部が設けられている。遊星歯車機構２２において、太陽歯車４０は遊星歯車機構２２の出力軸４２と一体化されると共に、内歯歯車３８はケーシング４４と一体化されている。遊星ピン３４と遊星歯車３６との間には、ころ軸受４６が介在され、入力トルクが大きい場合にも対応できるように配慮されている。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）は、遊星歯車３６を説明するための説明図である。図２（ａ）は遊星歯車３６の斜視図である。図２（ｂ）は遊星歯車３６の歯１００の歯面１００ａの一部を、遊星歯車３６の回転軸Ｒに垂直な面で切断した断面図である。遊星歯車３６の表面には、浸炭処理により浸炭層１０２が形成されている。浸炭層１０２の厚さは浸炭深さＤである。
【００１８】
歯面１００ａには、浸炭層１０２よりも浅い複数の凹部すなわち回転軸Ｒ方向に沿って形成された複数の溝１０４が設けられている。溝１０４は歯面１００ａに亘って均一に、すなわち等間隔で設けられている。溝１０４の断面は略コの字の形状を有する。溝１０４の幅ｗは表面と底とで均一であることが望ましい。溝１０４の幅ｗは溝１０４の深さｄよりも小さい。溝１０４の深さｄは浸炭深さＤよりも小さい。すなわち、溝１０４は浸炭層１０２よりも浅い。歯１００の歯先面１００ｂにも同様な溝１０４が設けられている。歯と歯の間の表面には溝１０４は設けられていない。歯と歯の間の表面は、歯底円に沿う表面であってもよいし、歯底面１００ｃであってもよい。
なお、図２（ａ）および以降の斜視図においては、複数の凹部のうちの代表的なものが図示されており、凹部の全てが図示されているわけではない。
【００１９】
歯面１００ａに占める溝１０４の面積（平面視での面積）はそれ以外の部分（歯面１００ａの溝１０４が形成されていない部分）の面積よりも小さい。特に溝１０４は等間隔で設けられているので、溝１０４の幅ｗは溝１０４のピッチＰの半分よりも小さい。これにより、歯面１００ａの面圧強度の低下を抑えることができる。
内歯歯車３８、太陽歯車４０および増速機２０に組み込まれている他の歯車は、遊星歯車３６と同様に構成されてもよい。
【００２０】
実施の形態に係る歯車の製造方法を説明する。
この製造方法では、まず切削加工により低炭素鋼の材料を所定の初期歯車形状に形成する。この初期歯車形状は、製造後の歯車が有するべき目標歯車形状よりも少し大きく設定されてもよい。そのように形成された歯車の歯面に、切削加工により複数の溝を形成する。歯面に複数の溝が形成された歯車をガス浸炭処理する。通常、浸炭処理を施すと歯車の形状は変化するので、浸炭処理された歯車の歯面が所望の形状となるよう歯車に切削加工を施す。あるいはまた、初期歯車形状が目標歯車形状よりも大きく設定されている場合は、浸炭処理による形状の変化の度合いにかかわらず切削加工を施す。このようにして目標歯車形状を有する歯車が製造される。
【００２１】
浸炭処理においては複数の溝の側面や底面からも浸炭が進むので、このようにして製造された歯車の浸炭層は溝よりも深くなる。
なお、浸炭処理された歯車の歯面に複数の溝がなくなるよう歯車に切削加工を施してもよい。この場合、溝による歯面の面圧強度の低下はなくなる。
【００２２】
実施の形態に係る歯車の製造方法によると、浸炭処理の対象となる歯車の歯面に複数の溝が設けられているので、浸炭処理において溝の側面や底面からも浸炭が進む。したがって、浸炭処理をより効率化できる。すなわち、溝を設けない場合よりも同じ処理時間で大きな浸炭深さを得ることができる。または、溝を設けない場合よりも短い処理時間で同じ浸炭深さを得ることができる。その結果、歯車の製造効率を向上できる。
また、溝の幅よりも深さが長い方が時間短縮の効果がより高いと考えられる。
【００２３】
浸炭処理の処理時間を短縮するためには、処理温度を高くしたり冷却効率を高めたりすることも考えられる。しかしながら、炉の性能面での限界や装置の改造に必要なコストなどから、そのような製造方法の大幅な変更は難しい場合が多い。これに対して実施の形態に係る歯車の製造方法では材料に加工を施すだけであり、浸炭処理の装置に手を加える必要はない。したがって、より低コストで処理時間の短縮を実現できる。
【００２４】
また、歯車の表面に複数の凹部を設けることで、潤滑油に対する有効表面積を増やすことができる。これにより、歯車の表面は潤滑油を保持しやすくなり、油膜が切れる可能性を低減できる。
【００２５】
浸炭処理のコストは主に炉の使用時間によって決定される。したがって、浸炭処理の処理時間を短縮できればそれだけコストダウンの効果が予想される。実際の処理時間は処理温度や浸炭ガス濃度、歯車の大きさなどの様々な条件によりある程度左右されるが、以下、単純にＨａｒｒｉｓの実験式から計算した試算を説明する。目標浸炭深さが１ｍｍの場合と２ｍｍの場合とを比較すると、後者の処理時間は前者の処理時間の４倍となる。ここで歯車の表面に深さ１ｍｍ程度の溝を形成し、そのように溝が形成された歯車を浸炭処理すると、溝がない場合に目標浸炭深さ１ｍｍを達成するために必要な処理時間で２ｍｍの浸炭深さを達成できる。すなわち、処理時間を約１／４に短縮できる。
【００２６】
歯車の歯面は他の歯車と接触する部分であるので、そこでの浸炭をより深くし面圧強度を高める必要がある。一方で歯と歯の間（歯底）の表面は通常他の歯車と接触しないので、歯面ほどの面圧強度は必要とされない。そこで、実施の形態に係る遊星歯車３６のように歯と歯の間の表面に溝１０４を設けないこととすると、面圧強度の向上が不要な部分では浸炭を比較的浅くして浸炭による変形や脆性の増大を抑えることができる。
【００２７】
より一般化すると、歯車の表面に設ける凹部の、単位面積当たりの数を調整することで、浸炭の深さすなわち面圧強度を調整できる。
図３（ａ）〜（ｃ）は、第１変形例に係る歯車の歯１１０を示す模式図である。図３（ａ）は歯１１０の側面図である。図３（ｂ）は歯１１０の歯面１１０ａのうち他の歯車とかみ合うべきかみ合い部分１１０ｂを、回転軸に垂直な面で切断した断面図である。図３（ｃ）は歯面１１０ａのうち他の歯車とかみ合わない歯元の部分１１０ｃを、回転軸に垂直な面で切断した断面図である。
【００２８】
歯面１１０ａには回転軸方向に沿って複数の溝１１２が設けられている。かみ合い部分１１０ｂの単位面積当たりの溝１１２の数は、他の部分例えば歯元の部分１１０ｃの単位面積当たりの溝１１２の数よりも多い。かみ合い部分１１０ｂの溝１１２のピッチＰ１は歯元の部分１１０ｃの溝１１２のピッチＰ２よりも小さい。かみ合い部分１１０ｂの溝１１２はより密に設けられているので、そこでの浸炭層１１４の厚さＤ１はほぼ一定である。歯元の部分１１０ｃの溝１１２はより疎に設けられているので、そこでの浸炭層１１６の厚さは位置により変動する。歯元の部分１１０ｃの浸炭層１１６の平均厚さＤ２は、かみ合い部分１１０ｂの浸炭層１１４の厚さＤ１よりも小さい。
【００２９】
第１変形例によると、歯面１１０ａのなかでも比較的面圧強度が高くなくてもよい歯元の部分１１０ｃにおいて浸炭が浅くなるので、そこでの浸炭による変形や脆性の増大を抑えることができる。また、高い面圧強度が必要なかみ合い部分１１０ｂでは浸炭をより深くして十分な硬さを得ることができる。
なお、歯元の部分１１０ｃに溝１１２を設けなくてもよい。また、歯先の部分を歯元の部分１１０ｃと同様に構成してもよい。
【００３０】
以上、実施の形態に係る歯車およびその製造方法について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３１】
実施の形態では、歯と歯の間の表面に溝１０４が設けられていない場合について説明したが、これに限られない。例えば、歯と歯の間の表面の単位面積当たりの凹部の数は、歯面の単位面積当たりの凹部の数よりも少なくてもよい。この場合でも、面圧強度の向上が不要な部分では浸炭を比較的浅くして浸炭による変形や脆性の増大を抑えることができる。
【００３２】
実施の形態では、風力発電用の増速機２０に組み込まれる歯車を例として説明したが、これに限られず、本実施の形態に係る技術的思想は任意の歯車に適用可能である。
【００３３】
実施の形態では、遊星歯車３６の歯１００の歯面１００ａに回転軸Ｒ方向に沿って複数の溝１０４を形成する場合について説明したが、これに限られない。図４（ａ）〜（ｃ）は、第２から第４変形例に係る歯車１２０、１３０、１４０をそれぞれ示す斜視図である。第２変形例に係る歯車１２０の歯面には、歯車１２０の周方向に沿ってすなわち回転軸を囲むように複数の溝１２２が設けられている。第３変形例に係る歯車１３０の歯面には、歯車１３０の回転軸に対して斜めになるように複数の溝１３２が設けられている。第４変形例に係る歯車１４０の歯面には複数の孔１４２が設けられている。これらの変形例によると実施の形態と同様に浸炭処理をより効率化できる。
遊星歯車３６のように回転軸Ｒ方向に沿って溝１０４を形成する場合、第２から第４変形例と比較して切削加工による溝の形成がより容易となり加工性が良い。
【００３４】
実施の形態では、大きさや形状が実質的に等しい複数の凹部を歯面に設ける場合について説明したが、これに限られず、凹部の大きさや形状を異ならせてもよい。例えば、歯面のかみ合い部分と歯元の部分とで単位面積当たりの凹部の数を同じとしつつ、かみ合い部分における凹部を歯元の部分における凹部よりも大きくすることができる。この場合、かみ合い部分での凹部の面積は歯元の部分での凹部の面積よりも大きくなる。あるいはまた、かみ合い部分における単位面積当たりの凹部の数を歯元の部分における単位面積当たりの凹部の数よりも少なくしつつ、かみ合い部分での凹部の面積を歯元の部分での凹部の面積よりも大きくすることができる。
【符号の説明】
【００３５】
３６  遊星歯車、  １００  歯、  １００ａ  歯面、  １０２  浸炭層、  １０４  溝、  Ｒ  回転軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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